350 -vatine võnkuv D -klassi võimendi: 8 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

Sissejuhatus ja miks tegin selle juhendatavaks:

Internetis on palju õpetusi, mis näitavad inimestele, kuidas oma D -klassi võimendeid ehitada. Need on tõhusad, kergesti mõistetavad ja kasutavad sama üldist topoloogiat. Üks vooluahela osa genereerib kõrgsageduslikku kolmnurgalainet ja seda võrreldakse helisignaaliga, et moduleerida väljundlüliteid (peaaegu alati MOSFET-sid) sisse ja välja. Enamikul neist "DIY klassi D" kujundustest pole tagasisidet ja need, mis kõlavad bassi piirkonnas ainult puhtalt. Nad teevad mõnevõrra vastuvõetavaid bassikõlari võimendeid, kuid on kõrgete toonide piirkondades märkimisväärselt moonutatud. MOSFET-lülitamiseks vajaliku surnud aja tõttu tagasiside puudutavatel on väljundlainekuju, mis näeb välja nagu kolmnurkse laine, mitte siinuslaine. Esineb märkimisväärseid soovimatuid harmoonilisi, mis põhjustab märgatavat helikvaliteedi langust, mis paneb muusika kõlama nagu trompetist väljumine. Minu eelmise D-klassi võimendi mõnevõrra trompetistlik, mitte nii torkiv heli on põhjus, miks otsustasin seda hämarat, alakasutatud topoloogiat kasutades võimendit uurida ja ehitada.

Klassikaline "kolmnurga lainevõrdleja" pole aga ainus viis D -klassi võimendi konstrueerimiseks. On parem viis. Selle asemel, et lasta ostsillaatoril signaali moduleerida, miks mitte teha kogu võimendi ostsillaatoriks? Väljund-MOSFET-e juhib (sobiva ajamiahela kaudu) võrdlusvõrgu väljund, mille positiivne sisend võtab vastu sissetulevat heli ja negatiivne sisend võtab vastu võimendi väljundpinge (vähendatud) versiooni. Võrreldes kasutatakse hüstereesit töösageduse reguleerimiseks ja ebastabiilsete kõrgsageduslike resonantsrežiimide vältimiseks. Lisaks kasutatakse väljundis RC snubber -võrku, et summutada helinat väljundfiltri resonantssagedusel ja vähendada faasinihet 90 kraadi lähedale võimendi töösagedusel umbes 100 Khz. Selle lihtsa, kuid kriitilise filtri väljajätmine põhjustab võimendi enesehävitamise, kuna võib tekkida mitusada volti pinge, mis hävitab filtrikondensaatorid koheselt.

Toimimispõhimõte:

Oletame, et võimendi käivitatakse esmakordselt ja kõik pinged on null. Hüstereesist tingituna otsustab võrdleja tõmmata väljundi kas positiivseks või negatiivseks. Selle näite puhul eeldame, et võrdleja tõmbab väljundi negatiivseks. Mõnekümne mikrosekundi jooksul on võimendi väljundpinge piisavalt vähenenud, et võrdlevat seadet ümber pöörata ja pinge uuesti üles tõusta, ning see tsükkel kordub umbes 60–100 tuhat korda sekundis, hoides soovitud pinget väljundis. Tänu filtri induktiivpooli suurele takistusele ja filtrikondensaatori madalale takistusele sellel sagedusel ei ole väljundis palju müra ja kõrge töösageduse tõttu on see kaugelt üle kuuldava vahemiku. Kui sisendpinge suureneb, suureneb väljundpinge piisavalt, et tagasisidepinge jõuaks väljundpingeni. Sel viisil saavutatakse võimendus.

Eelised standardklassi D ees:

1. Äärmiselt madal väljundtakistus: Kuna väljund -MOSFET -id ei lülitu pärast filtri saavutamist tagasi enne soovitud väljundpinget, on väljundi takistus praktiliselt null. Isegi kui 0,1 -voldine erinevus tegeliku ja soovitud väljundpinge vahel, tühjendab vooluahel võimendit väljundisse, kuni pinge võrdluseks tagasi pöörab (või midagi puhub).

2. Võimalus reaktiivkoormusi puhtalt juhtida: Tänu äärmiselt madalale väljundtakistusele saab isevõngleva klassi D abil juhtida mitmesuunalisi kõlarisüsteeme, millel on suured takistused ja väga harmoonilised moonutused. Portseeritud bassikõlarisüsteemid, millel on madal takistus pordi resonantssagedusel, on suurepärane näide kõlarist, mille tagasisidevaba "kolmnurgalainevõrdleja" võimendi näeks vaeva, et hästi sõita.

3. Lai sagedusreaktsioon: sageduse kasvades püüab võimendi seda kompenseerida, muutes töötsüklit rohkem, et hoida tagasisidepinget sisendpingega. Filtri kõrgete sageduste summutamise tõttu hakkavad kõrged sagedused klõpsama madalamal pingetasemel kui madalamad, kuid muusika tõttu on bassil tunduvalt rohkem elektrienergiat kui kõrgel (umbes 1/f jaotus, rohkem kui kasutage bassi võimendust), see pole üldse probleem.

4. Stabiilsus: kui see on nõuetekohaselt projekteeritud ja olemas on nuuskvõrk, tagab väljundfiltri peaaegu 90 ° faasimarginaal töösagedusel, et võimendi ei muutuks ebastabiilseks isegi siis, kui sõidetakse raske koormusega tugeva lõikamise all. Enne võimendi ebastabiilseks muutumist puhute midagi, tõenäoliselt kõlareid või alamseadmeid.

5. Tõhusus ja väikesed mõõtmed: võimendi isereguleeruva iseloomu tõttu ei mõjuta helikvaliteeti MOSFET-i lülituslainekujudele palju surnud aega. Kvaliteetse induktiivpooli ja MOSFET-idega (kasutan oma võimendis IRFB4115-sid) on võimalik saavutada täiskoormus kuni 90%. Selle tulemusena piisab suhteliselt väikesest jahutusradiaatorist FET -idel ja ventilaator on vajalik ainult siis, kui see töötab isoleeritud korpuses suure võimsusega.

Samm: osad, tarvikud ja eeltingimused

Eeltingimused:

Igasuguse suure võimsusega vooluahela ehitamine, eriti heli puhtaks taasesitamiseks, nõuab elektroonika põhikontseptsioonide tundmist. Peate teadma, kuidas kondensaatorid, induktiivpoolid, takistid, MOSFET-id ja op-võimendid töötavad ning kuidas toiteplokki õigesti kavandada. Samuti peate teadma, kuidas joota läbi aukude komponente ja kuidas kasutada ribaplaati (või ehitada trükkplaat). See õpetus on mõeldud inimestele, kes on varem ehitanud mõõdukalt keerukaid vooluahelaid. Laialdased analoogteadmised pole vajalikud, kuna enamik D -klassi võimendi ahelaid tegelevad vaid kahe pingetasemega - sisse või välja.

Samuti peate teadma, kuidas ostsilloskoopi kasutada (ainult põhifunktsioonid) ja kuidas siluda ahelaid, mis ei tööta ettenähtud viisil. Sellise keerukusega vooluahela puhul on väga tõenäoline, et teil tekib alamahel, mis selle esmakordsel ehitamisel ei tööta. Enne järgmise sammu juurde liikumist leidke ja lahendage probleem, ühe alamringi silumine on palju lihtsam kui kusagil kogu plaadil vea leidmine. Ostsilloskoobi kasutamine on vajalik soovimatu võnkumise leidmiseks ja kontrollimiseks, kas signaalid näevad välja nii, nagu peaksid.

Üldised näpunäited:

Mis tahes D -klassi võimendi puhul lülitatakse kõrgel pingel ja voolutugevus kõrgel sagedusel, mis võib tekitada palju müra. Teil on ka väikese võimsusega heliahelad, mis on müra suhtes tundlikud ning võtavad selle vastu ja võimendavad seda. Sisend- ja toiteastmed peaksid asuma plaadi vastassuunas.

Samuti on hädavajalik hea maandus, eriti võimsusastmes. Veenduge, et maandusjuhtmed liiguvad otse negatiivsest klemmist iga värava draiveri ja võrdlusseadmeni. Maandusjuhtmeid on liiga palju. Kui teete seda trükkplaadil, kasutage maandamiseks maandustasandit.

Osad, mida vajate:

(Saada mulle sõnum, kui mõni vahele jäi, olen üsna kindel, et see on täielik nimekiri)

(Kõike, millel on märge HV, tuleb kõlarite juhtimiseks hinnata vähemalt kõrgendatud pinge järgi, eelistatavalt rohkem)

(Paljusid neist saab päästa elektroonikast ja prügikasti visatud seadmetest, eriti kondensaatoritest)

• 24 -voldine toiteallikas võimsusega 375 vatti (ma kasutasin liitiumakut, aku kasutamisel veenduge, et teil oleks LVC (madalpinge katkestus))
• Võimsusmuundur, mis suudab pakkuda 350 vatti 65 volti juures. (Otsige Amazonist "Yeeco võimsusmuundur 900 vatti" ja leiate selle, mida kasutasin.)
• "Perf board" või proto-board, millele kõik üles ehitada. Soovitan selle projektiga töötada vähemalt 15 ruut tolli, 18, kui soovite sisendplaadi samale plaadile ehitada.
• Jahutusradiaator MOSFETide paigaldamiseks
• 220uf kondensaator
• 2x 470uf kondensaator, üks peab olema hinnatud sisendpingele (mitte HV)
• 2x 470nf kondensaator
• 1x 1nf kondensaator
• 12x 100nf keraamiline kondensaator (või võite kasutada polü)
• 2x 100 nf polü kondensaator [HV]
• 1x 1uf polü kondensaator [HV]
• 1x 470uf LOW ESR elektrolüütkondensaator [HV]
• 2x 1n4003 diood (iga diood, mis talub 2*HV või rohkem, sobib)
• 1x 10 amp kaitse (või lühike tükk 30AWG juhtmest üle klemmiploki)
• 2x 2,5 mh induktor (või kerige oma)
• 4x IRFB4115 toite MOSFET [HV] [peab olema ehtne!]
• Erinevad takistid, saate need mõne dollari eest eBayst või Amazonist välja
• 4x 2k trimmeri potentsiomeetrid
• 2x KIA4558 op -võimendi (või sarnane helivõimendi)
• 3x võrdlusmasinat LM311
• 1x 7808 pingeregulaator
• 1x "Lm2596" buck converter board, leiate need mõne dollari eest eBayst või Amazonist
• 2x NCP5181 värava draiveri IC (võite puhuda, saada rohkem) [Peab olema ehtne!]
• 3-kontaktiline päis sisendplaadiga ühendamiseks (või rohkem tihvte mehaanilise jäikuse tagamiseks)
• Juhtmed või klemmliistud kõlarite, toite jms jaoks
• 18AWG toitejuhe (toitejuhtme ühendamiseks)
• 22 AWG haaketraat (kõigi muude juhtmete ühendamiseks)
• 200 oomi väikese võimsusega helitrafo sisendi jaoks
• Väike 12v/200ma (või vähem) arvuti ventilaator võimendi jahutamiseks (valikuline)

Tööriistad ja tarvikud:

• Vähemalt 2us/div resolutsiooniga ostsilloskoop 1x ja 10x sondiga (oma 10x sondi valmistamiseks võite kasutada 50k ja 5k takisti)
• Multimeeter, mis suudab mõõta pinget, voolu ja takistust
• Joodis ja jootekolb (kasutan Kester 63/37, hea kvaliteediga pliivaba töötab ka siis, kui teil on kogemusi)
• Jootma imemiseks, taht jne. Teete vigu sellise suure vooluahelaga, eriti induktiivpooli jootmisel, see on valus.
• Traadi lõikurid ja eemaldajad
• Midagi, mis võib tekitada mõne HZ ruudukujulise laine, näiteks leivalaud ja 555 taimer

2. samm: õppige, kuidas D-klassi isevõnkuvad toimivad (valikuline, kuid soovitatav)

Enne alustamist on hea teada saada, kuidas vooluring tegelikult töötab. See aitab suuresti kõikide probleemide korral, mis teil võib tekkida, ja aitab teil mõista, mida skeemi iga osa teeb.

Esimene pilt on LTSpice'i koostatud graafik, mis näitab võimendi reaktsiooni hetkelisele sisendpinge muutusele. Nagu graafikult näha, proovib roheline joon sinist joont järgida. Niipea kui sisend muutub, tõuseb roheline joon nii kiiresti kui võimalik ja lahendub minimaalse ületamisega. Punane joon on väljundastme pinge enne filtrit. Pärast muutmist settib võimendi kiiresti ja hakkab uuesti seadepunkti ümber võnkuma.

Teine pilt on põhiline vooluahela skeem. Helisisendit võrreldakse tagasisidesignaaliga, mis genereerib signaali väljundastme juhtimiseks, et viia väljund sisendile lähemale. Võrdleja hüsterees põhjustab vooluahela võnkumist soovitud pinge ümber sagedusel, mis on kõrvade või kõlarite reageerimiseks liiga kõrge.

Kui teil on LTSpice, saate alla laadida ja mängida.asc skemaatilist faili. Proovige sageduse muutmiseks r2 -d muuta ja vaadake, kuidas vooluring läheb hulluks, kui eemaldate müra, mis summutab liigset võnkumist LC -filtri resonantspunkti ümber.

Isegi kui teil pole LTSpice'i, annab piltide uurimine teile hea ettekujutuse sellest, kuidas kõik toimib. Nüüd hakkame ehitama.

Samm: ehitage toiteallikas

Enne kui hakkate midagi jootma, vaadake skeemi ja näite paigutust. Skeem on SVG (vektorgraafika), nii et kui olete selle alla laadinud, saate suumida nii palju kui soovite, kaotamata eraldusvõimet. Otsustage, kuhu kavatsete kõik tahvlile paigutada, ja seejärel ehitage toiteallikas. Ühendage aku pinge ja maandus ning veenduge, et midagi ei kuumeneks. Kasutage multimeetrit, et reguleerida "lm2596" plaati väljundiks 12 volti ja kontrollige, kas regulaator 7808 väljastab 8 volti.

See on toiteallika jaoks.

4. samm: ehitage väljundetapp ja värava draiver

Kogu ehitamisprotsessist on see kõige raskem samm. Ehitage kõik skeemi "Gate driver circuit" ja "Power stage", veendudes, et FET -id on jahutusradiaatori külge kinnitatud.

Skeemil näete juhtmeid, mis ei paista kuhugi ja ütlevad "vDrv". Neid nimetatakse skemaatikas siltideks ja kõik sama tekstiga sildid ühendatakse omavahel. Ühendage kõik "vDrv" märgistusega juhtmed 12v regulaatorplaadi väljundiga.

Pärast selle etapi lõpuleviimist lülitage see vooluahela sisse voolupiiranguga toiteallikaga (saate toiteallikaga järjestikku kasutada takistit) ja veenduge, et midagi ei kuumeneks. Proovige ühendada kõik sisendsignaalid toiteallikast (ükshaaval) värava draiverisse 8 V -ni ja kontrollige, kas õigeid väravaid juhitakse. Kui olete veendunud, et teate, et värava ajam töötab.

Kuna väravaajam kasutab alglaadimisahelat, ei saa väljundpinget mõõtes väljundit otse testida. Pange multimeeter dioodikontrollile ja kontrollige iga kõlari ja iga toiteterminali vahel.

1. Positiivne kõneleja 1 suhtes
2. Positiivne kõneleja 2 suhtes
3. Negatiivne kõneleja 1 suhtes
4. Negatiivne kõlarile 2

Igaüks peaks näitama osalist juhtivust ainult ühel viisil, nagu diood.

Kui kõik töötab, õnnitleme, olete just lõpetanud tahvli kõige raskema osa. Mäletasite õiget maandust, eks?

Samm: ehitage MOSFET Gate Drive'i signaaligeneraator

Kui olete värava draiveri ja toiteastme lõpetanud, olete valmis ehitama selle vooluahela osa, mis genereerib signaale, mis ütlevad väravajuhtidele, millised FET -id millal sisse lülitama.

Ehitage kõik skeemi "MOSFET draiveri signaaligeneraator koos surnud ajaga" skeemile, veendudes, et te ei unusta ühtegi pisikest kondensaatorit. Kui need välja jätta, töötab vooluahel endiselt hästi, kuid ei tööta hästi, kui proovite kõlarit juhtida, sest võrdlejad parasiitlikult võnguvad.

Järgmisena katsetage vooluringi, toites oma signaaligeneraatori või 555 taimeriahela ruudust mõne laine laine "MOSFET draiveri signaaligeneraatorisse surnud ajaga". Ühendage aku pinge voolu piirava takisti kaudu "HV in" -ga.

Ühendage ostsilloskoop kõlarite väljunditega. Aku pinge polaarsust tuleks muuta paar korda sekundis. Miski ei tohiks soojeneda ja väljund peaks olema kena terav ruutlaine. Väike ületamine on hea, kui see ei ületa 1/3 aku pinget.

Kui väljund tekitab puhta ruutlaine, tähendab see, et kõik, mida olete seni ehitanud, töötab. Lõpetamiseni on jäänud vaid üks alamring.

6. samm: võrdlus, diferentsiaalvõimendi ja tõehetk

Nüüd olete valmis ehitama selle ahela osa, mis tegelikult teeb D -klassi modulatsiooni.

Ehitage kõik skeemi "Komparaator hüstereesiga" ja "Diferentsiaalvõimendi tagasisideks", samuti kaks 5k takistit, mis hoiavad vooluahela stabiilsena, kui sisendiga pole midagi ühendatud.

Ühendage vooluahelaga toide (kuid mitte veel HV sisse) ja kontrollige, kas U6 tihvtid 2 ja 3 peaksid mõlemad olema peaaegu poole Vregi (4 volti) lähedal.

Kui mõlemad väärtused on õiged, ühendage väljundklemmide külge subwoofer. ühendage toide ja HV aku voolu piirava takisti kaudu aku pingega (võite kasutada takistina 4 oomi või suuremat bassikõlarit). Te peaksite kuulma väikest pauku ja subwoofer ei tohiks liikuda ühel või teisel viisil rohkem kui millimeetri võrra. Kontrollige ostsilloskoobiga, et veenduda, et NCP5181 värava draiveritesse sisenevad ja sealt väljuvad signaalid on puhtad ja nende töötsükkel on umbes 40%. Kui see pole nii, reguleerige kahte muutuvat takistit, kuni need on. Värava ajamite lainete sagedus on madalam kui soovitud 70-110 KHZ, kuna HV ei ole pingevõimendiga ühendatud.

Kui värava ajamite signaalid ei võnguta üldse, proovige lülitada SPK1 ja SPK2 diferentsiaalvõimendi juurde. Kui see ikka ei tööta, kasutage rikke leidmiseks ostsilloskoopi. See on peaaegu kindlasti võrdlus- või diferentsiaalvõimendi ahelas.

Kui vooluahel töötab, jätke kõlar ühendatuks ja lisage pinge suurendusmoodul, et tõsta HV sisendpinge umbes 65-70 voltini (pidage meeles kaitset). Lülitage ahel sisse ja veenduge, et esialgu ei läheks midagi kuumaks, eriti MOSFET -id ja induktiivpool. Jätkake temperatuuri jälgimist umbes 5 minutit. See on normaalne, kui induktiivpool läheb soojaks, kui see pole pideva puudutamise jaoks liiga kuum. MOSFETS ei tohiks olla rohkem kui veidi soe.

Kontrollige uuesti värava ajamite sagedust ja töötsüklit. Reguleerige 40% töötsüklit ja veenduge, et sagedus on vahemikus 70 kuni 110 Khz. Kui ei, siis reguleerige skeemi R10 sageduse parandamiseks. Kui sagedus on õige, olete võimeline võimendiga heli esitama hakkama.

7. samm: helisisend ja lõplik testimine

Nüüd, kui võimendi ise töötab rahuldavalt, on aeg ehitada sisendaste. Ehitage teisele tahvlile (või samale plaadile, kui teil on ruumi) vastavalt selle sammuga kaasasolevale skeemile (peate selle alla laadima), veendudes, et see oleks müra tekitamise lähedal varjestatud maandatud metallitükiga. komponendid. Ühendage võimendiga vooluahela toide ja maandus, kuid ärge ühendage veel helisignaali. Kontrollige, kas helisignaal on umbes 4 volti ja muutub pisut, kui keerate potentsiomeetrit "DC offset Adjust". Reguleerige potentsiomeetrit 4 voldile ja jootke helisisendi juhe ülejäänud vooluahela külge.

Kuigi skeemil on kujutatud kõrvaklappide pesa kasutamist sisendina, võite lisada ka Bluetooth -adapteri, mille väljund on juhtmega ühendatud helipistiku asukohta. Bluetooth -adapterit saab toita 7805 regulaatoriga. (Mul oli 7806 ja lasin dioodi abil veel 0,7 volti maha).

Lülitage võimendi uuesti sisse ja ühendage kaabel sisendplaadi AUX -pesasse. Tõenäoliselt tekib mõni nõrk staatika.

Kui staatika on liiga vali, võite proovida mõnda asja:

• Kas kaitsesite sisendetappi hästi? Ka võrdlejad tekitavad müra.
• Lisage trafo väljundisse 100 nf kondensaator.
• Lisage heliväljundi ja maanduse vahele 100nf kondensaator ja asetage 2k takisti kondensaatori ette.
• Veenduge, et lisajuhe ei oleks toiteallika või võimendi väljundkaablite lähedal.

Suurendage aeglaselt (mitme minuti jooksul) helitugevust, tagades, et miski ei lähe liiga kuumaks ega moonuta. Reguleerige võimendust nii, et võimendi ei klõpsataks, kui helitugevus pole maksimaalne.

Sõltuvalt induktiivpooli südamiku kvaliteedist ja jahutusradiaatori suurusest võib olla hea mõte lisada võimendi jahutamiseks väike ventilaator, mis töötab 12 V rööbast. See on eriti hea mõte, kui kavatsete selle kasti panna.